细胞表面受体的多聚化是识别细胞外事件并传递到质膜以启动内部信号级联的关键机制，最终调控各种生物学过程，如细胞分化、增殖、迁移、凋亡和免疫反应。触发受体多聚化的合成配体引起了研究人员对细胞生物学机制和疾病治疗的广泛兴趣，但有效性与安全性问题大大制约了它们的实际应用。

近年来，生物大分子的“液-液相分离”（LLPS: liquid-liquid phase separation,简称“相分离”）被证明是细胞内无膜细胞器形成的重要机理。相分离作为一种重要的物理化学机制，参与调控了细胞内的众多生理过程，包括细胞内外信号转导及其特化结构的形成。其中，最具代表性的研究成果包括：

（1）Michael Rosen课题组和Ronald D Vale课题组合作发现T细胞受体（T cell receptor，TCR）磷酸化可诱导下游效应蛋白发生相分离形成簇合物进而促进T细胞的信号输出[1]；

（2）张明杰课题组证实相分离参与了突触前活性区和突触后致密区的构建及活性维持[2-3]。如何以用户定义的方式灵活利用单一受体自聚集或多个受体共聚集所介导的活性进而实现信号转导的重编程便成为了突破传统桎梏的重要突破口。

2022年11月17日，北京生物结构前沿研究中心李丕龙课题组和清华大学药学院杜娟娟课题组合作在Nature Chemical Biology杂志在线发表了题为Programming cell-surface signaling by phase-separation-controlled compartmentalization的研究论文，开创性地设计了相分离“仿生”蛋白体系，用于灵活操纵细胞膜受体聚集的形成及其下游信号转导。

在本研究中，研究人员聚焦于细胞膜表面受体。这类受体作为连通细胞内外的“大使”，负责将细胞外的信号传达到细胞内[4, 5]，然而胞外信号的级联扩散并非简单地取决于信号分子的浓度，往往需要整合多维度的物理、化学信号。为了验证细胞膜表面相分离体系的可操纵性，研究人员巧妙地将一个互作对（PDZ-PV）一分为二，其一（PV）与相分离元件蛋白SIM₆融合表达作为外源“添加剂”，其二（PDZ）则特异性地过表达于细胞膜表面，当且仅当体系里同时存在SUM₅及SIM₆-PV多价互作对时，相分离所介导的细胞表面蛋白聚集便顺势发生。此外，通过设计不同的相分离蛋白元件，研究人员可以实现特定膜蛋白的精准聚集，并在细胞膜表面形成相分离斑点(图1)。

在进一步的拓展应用中，研究人员试图实现肿瘤细胞的靶向杀伤。以SJSA-1骨肉瘤细胞为例，利用高表达的趋化因子受体（Chemokine C-X-C-Motif Receptor 4, CXCR4）及死亡受体-5（Death receptor-5, DR5）受体作为具体靶标，设计融合上述两种受体的天然配体或纳米抗体的相分离元件蛋白，以此实现DR5的多聚激活，进而诱导细胞凋亡[5]。

1. Su, X., et al., Phase separation of signaling molecules promotes T cell receptor signal transduction. Science, 2016. 352(6285): p. 595-9.

2. Zeng, M., et al., Phase Transition in Postsynaptic Densities Underlies Formation of Synaptic Complexes and Synaptic Plasticity. Cell, 2016. 166(5): p. 1163-1175 e12.

3. Wu, X., et al., Vesicle Tethering on the Surface of Phase-Separated Active Zone Condensates. Mol Cell, 2021. 81(1): p. 13-24 e7.

4. Huang, Y., et al., Molecular basis for multimerization in the activation of the epidermal growth factor receptor. Elife, 2016. 5.

5. Mellier, G., et al., TRAILing death in cancer. Mol Aspects Med, 2010. 31(1): p. 93-112.

6. Huang, W.Y.C., et al., A molecular assembly phase transition and kinetic proofreading modulate Ras activation by SOS. Science, 2019. 363(6431): p. 1098-1103.

7. Case, L.B., J.A. Ditlev, and M.K. Rosen, Regulation of Transmembrane Signaling by Phase Separation. Annu Rev Biophys, 2019. 48: p. 465-494.

8. Case, L.B., et al., Stoichiometry controls activity of phase-separated clusters of actin signaling proteins. Science, 2019. 363(6431): p. 1093-1097.

有趣的是，研究人员发现，以高价态的相分离蛋白聚集受体时，仅需要一种受体与相分离蛋白融合即可，并表现出了“或”门的逻辑；而以低价态的相分离蛋白聚集受体时，则需要两种受体同时与两个相分离蛋白分别结合，如果相分离蛋白仅有其中之一融合了配体，或是细胞仅有其中一种可以与相分离蛋白结合的受体，相分离则不会发生，受体也不会被激活，表现出了“与”门的逻辑(图2)。

此外，研究人员也观察了细胞的存活与凋亡的情况。在相分离发生且DR5被聚集的情况下，细胞凋亡水平大大增加(图2)。说明相分离不仅可以用来调控受体的空间分布，也可以通过激活受体来调控细胞的生理活动。

最后，研究人员还尝试使用两个正交的相分离体系，将两种不同的膜受体聚集在互不相融的相分离斑点中(图3)。这一结果表明了相分离体系具有很强的拓展性，既可以通过同样的相分离体系将不同受体聚集在一起，而且可以通过正交的相分离体系将受体分别独立地聚集。

综上，该研究以近年来新兴的物化机制——相分离为基础，设计并实现了一种操控细胞膜蛋白的新方法。该方法跳出了以往使用单一蛋白进行的“一对一”或“一对多”的调控思路，利用相分离在亚宏观层面上实现了可视化的细胞膜蛋白与膜受体的时空调控。考虑到越来越多的研究证实膜受体或其下游信号经由相分离机制而激活，该调控方法也有望为特定受体的进一步功能研究提供帮助。再者，由于低价态相分离体系所呈现的“与”门逻辑，可以用于甄别特定细胞系，实现不同的细胞命运转换。综上所述，该研究首创了一类基于相分离的细胞膜蛋白调控系统，具有可操纵性强、灵活度高、普适性好等诸多优势，有望成为细胞膜表面蛋白相关研究的新范式（novel modality），以期实现生物药的创新突破。

北京生物结构前沿研究中心李丕龙研究员和清华大学药学院杜娟娟研究员为本文共同通讯作者。清华大学生命学院博士生李茹为本文第一作者。